CN102128714B - 光学透镜的聚光效率检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种光学透镜的聚光效率检测装置及方法，该装置包含：光源，提供入射光束；分光器，接收入射光束并分光为监测及探测光束；双轴移动平台，放置待测的光学透镜，并控制光学透镜的平移位置；第一光感测器，接收探测光束并测量其光强度信号，其中探测光束由分光器穿透双轴移动平台上的光学透镜而至第一光感测器；第二光感测器，接收监测光束并测量其光强度信号；以及处理器，连接第二与第一光感测器及双轴移动平台，用以接收监测与探测光束的光强度信号以及光学透镜的平移位置，并输出光学透镜的二维空间各点和/或平均的聚光效率。本发明不仅可以检测一待测透镜的整体聚光效率，更可以有效解析该待测透镜的镜面上二维空间的各点聚光效率。

Description

光学透镜的聚光效率检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种光学透镜的检测装置及方法，尤其涉及一种光学透镜的聚光效率检测装置及其方法。

背景技术

随着全球的暖化效应与石化燃料资源逐渐的消耗，新兴能源技术的开发，已俨然成为人类必须严肃面对的问题。而在众多的新兴能源中，又以绿色能源的太阳光电取代传统石化燃料能源被视为有效解决问题的方法之一，且正快速地发展中。由于太阳能电池的发电能源来自于阳光，太阳辐射光在通过太阳能电池材料转换后即可成为可利用能源。以硅晶片太阳能电池为例，其具有12％～20％的光电转换效率，且当以不同的晶体材料设计出太阳能电池时，它们的光电特性也会有所不同。一般来说，单晶硅太阳能电池的光电转换效率最高，使用年限也比较长，但价格成本昂贵，比较适合于发电厂或交通照明标志等场所的使用。至于多晶硅太阳能电池，由于其多晶特性，在切割及再加工的工艺上，比单晶和非晶硅较困难，光电转换效率也比单晶硅太阳能电池的低。但简单的工艺和低廉的成本为其主要特色。故对于非晶硅的太阳能电池来说，由于价格最便宜，生产速度也最快，比较常应用在部分低功率的消费性电子产品上，且其新型的应用也不断地研发中。但前述的硅晶片太阳能电池的能量转换效率也仅可达20％，为其主要缺点。

当然太阳能电池除了可以选用前述的硅材料外，也可采用其他的材料，如碲化镉、砷化镓铟、砷化镓等化合物半导体的材料来制作，也可以制作出高效率的太阳能电池。不同于硅晶片太阳能技术，用化合物半导体材料制作的聚光型太阳能电池(Concentrator Photovoltaic，CPV)可吸收较宽广的太阳光谱能量，再搭配高聚光镜面菲涅尔透镜(Fresnel Lens)与太阳光追踪器(SunTracker)的组合，将可有效缩小太阳能电池的吸光面积、降低发电成本，加速相关应用面的推广，且其转换效率更可达40％，并且聚光型太阳能电池的耐热性比一般晶片型太阳能电池又来的高。但由于聚光型太阳能电池利用透镜将光聚集到狭小的面积上来提高发电效率，所以透镜结构在聚光型太阳能电池中扮演着极重要的角色。事实上，能应用于聚光型太阳能电池产业的光学透镜的种类繁多，且光学透镜除应用于聚光型太阳能电池外，也可应用于例如投影装置等图像设备中，而且随着其应用范围、或所使用材料的差异，更会采取不同的制造方式来进行量产。然而，针对光学透镜的每一种制造方式除了需思考到如何快速地大量生产以外，还必须考虑如何维持大量产出的光学透镜的品质。因此，如何快速又精确地对光学透镜的进行光学检测，也一直是该领域近年来亟欲发展的重要技术之一。

图1为揭示一公知技术的透镜聚光效率测试装置的方框图。如图所示，该透镜聚光效率测试装置1至少具有一能提供测试光源的光源单元11及一接收测试光源的检测单元12。在该透镜聚光效率测试装置1进行一透镜20的聚光效率测试时，需将该透镜20先设置于该光源单元11及该检测单元12之间，使该光源单元11产生的测试光源通过该透镜20到达该检测单元12；而检测单元12则可根据其所接收到的光源信息来判断该透镜的聚光效率。然而在实际应用时，该检测单元12所接收的信息仅可获悉该透镜20的整体聚光效率，而无法解析该透镜20的镜面上二维空间的各点的聚光效率，所以自然无法依检测结果提供该透镜20做进一步的调整或检修。因为以一射出成型的透镜为例，若透镜聚光效率测试装置可解析出其镜面上二维空间的各点的聚光效率，则可依其所测得的空间各点效率来调整透镜制作的模具或射出成型参数等。因此，公知的透镜聚光效率测试装置，因受限于其检测设备及方法，而无法有效解析一待测透镜的镜面上二维空间的各点聚光效率。若欲提升透镜检测的精细程度及效能，公知的镜透聚光效率测量技术则有必要进一步改善。

发明内容

本发明的目的为提供一种光学透镜的聚光效率检测装置，以有效解析一待测透镜的镜面上二维空间的各点聚光效率来实现全面测量光学透镜聚光性质的目的，同时通过图形化结果的输出，进一步提供调整透镜制作的模具或射出成型参数等。

为达上述目的，本发明的一较佳实施方式为提供一种光学透镜的聚光效率检测装置，至少包含：光源，用以提供入射光束；分光器(Beam Splitter，BS)，用以接收入射光束，并将入射光束分光为监测光束及探测光束；双轴移动平台，用以放置一待测的光学透镜，并控制光学透镜的平移位置；扩束器(BeamExpander)，设置于分光器及双轴移动平台间；孔径光栏(Aperture)，设置于扩束器及双轴移动平台间；第一光感测器(light detector)，用以接收探测光束并测量探测光束的光强度信号，其中探测光束由分光器经扩束器及孔径光栏，再穿透双轴移动平台上的光学透镜而至第一光感测器；第二光感测器，用以接收监测光束并测量监测光束的光强度信号；以及处理器，连接第二光感测器、第一光感测器及双轴移动平台，用以接收监测光束的光强度信号、探测光束的光强度信号及光学透镜的平移位置，并输出光学透镜的二维空间各点和/或平均的聚光效率。

为达上述目的，本发明的又一较佳实施方式为提供一种光学透镜的聚光效率检测装置，至少包含：光源，用以提供入射光束；分光器，用以接收入射光束，并将入射光束分光为监测及探测光束；双轴移动平台，用以放置待测的光学透镜，并控制光学透镜的平移位置；第一光感测器，用以接收探测光束并测量探测光束的光强度信号，其中探测光束由分光器穿透双轴移动平台上的光学透镜而至第一光感测器；第二光感测器，用以接收监测光束并测量监测光束的光强度信号；以及处理器，连接第二光感测器、第一光感测器及双轴移动平台，用以接收监测光束的光强度信号、探测光束的光强度信号及光学透镜的平移位置，并输出光学透镜的二维空间各点和/或平均的聚光效率。

本发明的再一目的为提供一种应用于光学透镜的聚光效率检测方法，以有效解析一待测透镜的镜面上二维空间的各点聚光效率来实现全面测量光学透镜聚光性质的目的，同时通过图形化结果的输出，进一步提供调整透镜制作的模具或射出成型参数等。

为达上述目的，本发明的一较佳实施方式为提供一种光学透镜的聚光效率检测方法，其步骤至少包含：(a)提供入射光束；(b)分光该入射光束，以分别产生监测光束及探测光束；(c)接收监测光束并测量监测光束的光强度信号；(d)扩束探测光束，并使探测光束再穿透孔径光栏；(e)移动一待测的光学透镜，使探测光束通过光学透镜而聚光，同时记录光学透镜的平移位置；(f)接收探测光束并测量探测光束的光强度信号；以及(g)依监测光束的光强度信号、探测光束的光强度信号及光学透镜的平移位置，计算并输出光学透镜的二维空间各点和/或平均的聚光效率。

本发明提供一种光学透镜的聚光效率检测装置及检测方法，不仅可以检测一待测透镜的整体聚光效率，更可以有效解析该待测透镜的镜面上二维空间的各点聚光效率来实现全面测量光学透镜聚光性质的目的，同时通过图形化结果的输出，进一步提供调整透镜制作的模具或射出成型参数等，此为公知技术无法实现。

附图说明

图1：其为揭示一公知技术的透镜聚光效率测试装置方框图。

图2：其为揭示本发明较佳实施例的光学透镜的聚光效率检测装置方框图。

图3：其为揭示本发明聚光效率检测装置输出的光学透镜上二维空间聚光效率关系图。

图4：其为揭示本发明一较佳实施例应用于光学透镜的聚光效率检测方法流程图。

上述附图中的附图标记说明如下：

1：透镜聚光效率测试装置    11：光源单元

12：检测单元    20：透镜

21：光源    22：分光器

23：第二光感测器    24：双轴移动平台

25：扩束器    26：孔径光栏

27：第一光感测器    28：处理器

I₀：入射光束    I₁：探测光束

I₂：监测光束    P₁’、P₂’：全穿透光强度

P_1n、P_2n：单位面积光强度    P_1BG、P_2BG：背景环境光强度

S41～S48：流程步骤    X、Y：双轴坐标

η_opt：聚光效率

2：光学透镜的聚光效率检测装置

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其都不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明为一种光学透镜的聚光效率检测装置及其方法。通过该检测装置及方法的导入，可有效解析一待测透镜的镜面上二维空间的各点聚光效率来实现全面测量光学透镜聚光性质的目的，同时通过图形化各点效率作为调整透镜制作的模具或射出成型参数的参考。以下将以实施例进一步说明本发明创作的内容，然而可应用本发明技术的结构及方法并不限于所提的实施例而已，其他任何适用本发明技术的结构及方法，在此都可并入参考。

请参阅图2，其为揭示本发明较佳实施例的光学透镜的聚光效率检测装置方框图。如图所示，本发明的光学透镜的聚光效率检测装置2至少包含：光源21，用以提供入射光束I₀；分光器22(Beam Splitter，BS)，用以接收入射光束I₀，并将入射光束I₀分光为监测光束I₂及探测光束I₁；双轴移动平台24，用以放置一待测的光学透镜20，并控制光学透镜20的平移位置；扩束器25(Beam Expander)，设置于分光器22及双轴移动平台24间；孔径光栏26(Aperture)，设置于扩束器25及双轴移动平台24间；第一光感测器27，用以接收探测光束I₁并测量探测光束I₁的光强度信号，其中探测光束I₁由分光器22经扩束器25及孔径光栏26，再穿透双轴移动平台24上的光学透镜20而至第一光感测器27；第二光感测器23，用以接收监测光束I₂并测量监测光束I₂的光强度信号；以及处理器28，连接第二光感测器23、第一光感测器27及双轴移动平台24，用以接收监测光束I₂的光强度信号、探测光束I₁的光强度信号及光学透镜的平移位置，并输出该光学透镜20的二维空间各点和/或平均的聚光效率。

根据本发明的概念，本实施例中的光源21为一如氦氖激光(He-Ne Laser)的激光光源，但不以此为限，可提供稳定的入射光束I₀作为检测之用。而针对光学透镜20上二维空间各点的检测，则主要通过控制器和/或驱动装置以自动或半自动方式控制该双轴移动平台24移动光学透镜20至所需的检测位置，其中双轴移动平台为一X轴-Y轴扫描器(X-Y Scanner)，可依(X，Y)坐标控制光学透镜20的测试区域，并依次测量光学透镜20的所有区域，或测定光学透镜20任意区域的聚光效率。在一些实施例中，该第一光感测器27及第二光感测器23均为一光功率计，分别接收探测光束I₁的光强度信号及监测光束I₂的光强度信号；其中探测光束I₁的光强度信号包含背景环境光强度P1BG、全穿透光强度P₁’以及单位面积光强度P_1n；而该监测光束I₂的光强度信号包含背景环境光强度P_2BG、全穿透光强度P₂’以及单位面积光强度P_2n。在此，所谓的背景环境光强度P_1BG、P_2BG即为第一光感测器27及第二光感测器23测得的环境背景值(光源关闭)；全穿透光强度P₁’、P₂’则为第一光感测器27及第二光感测器23在该光学透镜20未载入时所测得的值；而单位面积光强度P_1n、P_2n则为第一光感测器27及第二光感测器23在该光学透镜20上每单位面积所测得的光强度值。该处理器28在接收该监测光束I₂的光强度信号及该探测光束I₁的光强度信号后，可依下列方程式(1)计算出该光学透镜20上二维空间各点和/或平均的聚光效率：

同时根据该光学透镜的平移位置(X，Y)坐标，该处理器28还可输出该光学透镜20上二维空间聚光效率关系图，如图3所示。通过图形化结果的输出，该光学透镜20上二维空间的各点的聚光效率即可快速知悉，还可依图形化检测的结果作为调整透镜制作的模具或射出成型参数的依据与参考。

根据前面图2所揭示的检测装置，本发明还揭示一种应用于光学透镜的聚光效率检测方法。图4揭示本发明一较佳实施例应用于光学透镜的聚光效率检测方法流程图。该聚光效率检测方法至少包含步骤：首先，由如氦氖激光(He-Ne Laser)的光源21提供入射光束I₀，如步骤S41所示。接着，利用分光器22将入射光束I₀分光为监测光束I₂及探测光束I₁，如步骤S42所示。之后，如步骤S43所示，利用第二光感测器23接收监测光束I₂并测量监测光束I₂的光强度信号，获知例如背景环境光强度P_2BG、全穿透光强度P₂’以及单位面积光强度P_2n等信息。另一方面，该探测光束I₁则先经过扩束机25进行扩束，并再行穿透孔径光栏26，如步骤S44所示。接着，通过自动或半自动控制双轴移动平台24依(X，Y)坐标移动其上的光学透镜20至所需的检测位置，同时记录该光学透镜20的平移位置，如步骤S45所示。随后，再以第一光感测器27接收探测光束I₁并测量探测光束I1的光强度信号，获知例如背景环境光强度P_1BG、全穿透光强度P₁’以及单位面积光强度P_1n等信息，如步骤S46所示。最后，依该探测光束I₁的光强度信号(P_1BG、P₁’以及P_1n等)、该监测光束I₂的光强度信号(P_2BG、P₂’以及P_2n等)及该光学透镜的(X，Y)坐标平移位置，计算并输出该光学透镜20的二维空间各点和/或平均的聚光效率，如步骤S47所示。在一些实施例中，该聚光效率检测方法还包含一步骤：图形化前述计算结果，并输出一二维空间聚光效率关系图(如图3所示)，如步骤S48所示。

在实际应用时，该第一光感测器27及该第二光感测器23均可以一光功率计实施。至于该探测光束I₁的光强度信号及该监测光束I₂的光强度信号中，其所谓的背景环境光强度P_1BG、P_2BG即为第一光感测器27及第二光感测器23测得的环境背景值；全穿透光强度P₁’、P₂’则为第一光感测器27及第二光感测器23在该光学透镜20未载入时所测得的值；而单位面积光强度P_1n、P_2n则为第一光感测器27及第二光感测器23在该光学透镜20上每单位面积所测得的光强度值。而在接收该监测光束I₂的光强度信号(P_2BG、P₂’以及P_2n等)及该探测光束I₁的光强度信号(P_1BG、P₁’以及P_1n等)后，所得数据可通过一处理器28处理，并依下列方程式计算出该光学透镜20上二维空间各点和/或平均的聚光效率：

又根据该光学透镜的平移位置(X，Y)坐标，该处理器28还可图形化前述计算结果，并输出一二维空间聚光效率关系图，如图3所示。通过图形化结果的输出，该光学透镜20上二维空间的各点的聚光效率即可快速知悉，还可依图形化检测的结果作为调整透镜制作的模具或射出成型参数的参考。

综上所述，本发明提供一种光学透镜的聚光效率检测装置及检测方法，不仅可以检测一待测透镜的整体聚光效率，更可以有效解析该待测透镜的镜面上二维空间的各点聚光效率来实现全面测量光学透镜聚光性质的目的，同时通过图形化结果的输出，进一步提供调整透镜制作的模具或射出成型参数等，此为公知技术无法实现。

纵使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，都不脱如附权利要求所欲保护的范围。

Claims (19)

1.一种光学透镜的聚光效率检测装置，至少包含：

一光源，用以提供一入射光束；

一分光器，用以接收该入射光束，并将该入射光束分光为一监测光束及一探测光束；

一双轴移动平台，用以放置一待测的光学透镜，并控制该光学透镜的平移位置；

一扩束器，设置于该分光器及该双轴移动平台间；

一孔径光栏，设置于该扩束器及该双轴移动平台间；

一第一光感测器，用以接收该探测光束并测量该探测光束的光强度信号，其中该探测光束由该分光器经该扩束器及该孔径光栏，再穿透该双轴移动平台上的该光学透镜而至该第一光感测器；

一第二光感测器，用以接收该监测光束并测量该监测光束的光强度信号；以及

一处理器，连接该第二光感测器、该第一光感测器及该双轴移动平台，用以接收该监测光束的光强度信号、该探测光束的光强度信号及该光学透镜的平移位置，并输出该光学透镜的二维空间各点和/或平均的聚光效率。

2.如权利要求1所述的光学透镜的聚光效率检测装置，其中该光源为一激光光源。

3.如权利要求2所述的光学透镜的聚光效率检测装置，其中该激光光源为一氦氖激光光源。

4.如权利要求1所述的光学透镜的聚光效率检测装置，其中该双轴移动平台为一X轴-Y轴扫描器。

5.如权利要求1所述的光学透镜的聚光效率检测装置，其中该第一光感测器及该第二光感测器均为一光功率计。

6.如权利要求1所述的光学透镜的聚光效率检测装置，其中该探测光束的光强度信号包含第一背景环境光强度、第一全穿透光强度以及第一单位面积光强度。

7.如权利要求6所述的光学透镜的聚光效率检测装置，其中该监测光束的光强度信号包含第二背景环境光强度、第二全穿透光强度以及第二单位面积光强度。

8.如权利要求7所述的光学透镜的聚光效率检测装置，其中该光学透镜的聚光效率依方程式

其中η_opt为光学透镜的聚光效率，P_1n为第一单位面积光强度，P_1BG为第一背景环境光强度，P₁’为第一全穿透光强度，P_2n为第二单位面积光强度，P_2BG为第二背景环境光强度，P₂’为第一全穿透光强度。

9.如权利要求8所述的光学透镜的聚光效率检测装置，其中该处理器还输出一二维空间聚光效率关系图。

10.一种光学透镜的聚光效率检测装置，至少包含：

一光源，用以提供一入射光束；

一分光器，用以接收该入射光束，并将该入射光束分光为一监测光束及一探测光束；

一双轴移动平台，用以放置一待测的光学透镜，并控制该光学透镜的平移位置；

一第一光感测器，用以接收该探测光束并测量该探测光束的光强度信号，其中该探测光束由该分光器穿透该双轴移动平台上的该光学透镜而至该第一光感测器；

一第二光感测器，用以接收该监测光束并测量该监测光束的光强度信号；以及

一处理器，连接该第二光感测器、该第一光感测器及该双轴移动平台，用以接收该监测光束的光强度信号、该探测光束的光强度信号及该光学透镜的平移位置，并输出该光学透镜的二维空间各点和/或平均的聚光效率。

11.一种光学透镜的聚光效率检测方法，至少包含步骤：

(a)提供一入射光束；

(b)分光该入射光束，以分别产生一监测光束及一探测光束；

(c)接收该监测光束并测量该监测光束的光强度信号；

(d)扩束该探测光束，并使该探测光束再穿透一孔径光栏；

(e)移动一待测的光学透镜，使该探测光束通过该光学透镜而聚光，同时记录该光学透镜的平移位置；

(f)接收该探测光束并测量该探测光束的光强度信号；以及

(g)依该监测光束的光强度信号、该探测光束的光强度信号及该光学透镜的平移位置，计算并输出该光学透镜的二维空间各点和/或平均的聚光效率。

12.如权利要求11所述的光学透镜的聚光效率检测方法，其中该入射光束为一激光光束。

13.如权利要求12所述的光学透镜的聚光效率检测方法，其中该激光光束为一氦氖激光光束。

14.如权利要求11所述的光学透镜的聚光效率检测方法，其中该光学透镜的平移位置是由一X轴-Y轴扫描器控制的双轴坐标。

15.如权利要求11所述的光学透镜的聚光效率检测方法，其中该步骤(c)及该步骤(f)分别通过一第二光感测器及一第一光感测器接收，且该第一光感测器及该第二光感测器分别为光功率计。

16.如权利要求11所述的光学透镜的聚光效率检测方法，其中该探测光束的光强度信号包含第一背景环境光强度、第一全穿透光强度以及第一单位面积光强度。

17.如权利要求16所述的光学透镜的聚光效率检测方法，其中该监测光束的光强度信号包含第二背景环境光强度、第二全穿透光强度以及第二单位面积光强度。

18.如权利要求17所述的光学透镜的聚光效率检测方法，其中该光学透镜的聚光效率依方程式

其中η_opt为光学透镜的聚光效率，P_1n为第一单位面积光强度，P_1BG为第一背景环境光强度，P₁’为第一全穿透光强度，P_2n为第二单位面积光强度，P_2BG为第二背景环境光强度，P₂’为第一全穿透光强度。

19.如权利要求11项所述的光学透镜的聚光效率检测方法，其中该步骤(g)还包含一步骤(g1)输出一二维空间聚光效率关系图。

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